Состав и строение атмосферы

Земной шар окружен слоем газообразного воздуха — атмосферой. Толщина этого слоя — величина того же порядка, что и радиус Земли. Слово атмосфера происходит от греческих слов: атмос — пар и сфера — шар. Атмосферу часто определяют как газообразную оболочку Земли. Подобно тому, как морская вода представляется жидким молекулярным раствором, воздух можно назвать газообразным раствором.

Состав атмосферы. Как показывает опыт, соотношение основных составных частей атмосферы до значительных высот сохраняется неизменным, что свидетельствует о наличии постоянного перемешивания воздуха. При отсутствии этого следовало бы ожидать диффузного равновесия, при котором тяжелые газы располагались бы ниже легких. Тенденция к такому распределению имеется на больших высотах.

Состав сухого воздуха в нижем слое атмосферы (до высоты 25 км) представлен в табл. 61. Из таблицы видно, что молекулярный вес сухого воздуха близок к соответствующему весу азота, что и понятно, поскольку последний является преобладающим газом в атмосфере.

В таблице указано среднее содержание углекислого газа. Фактическое количество его в воздухе меняется в зависимости от характера подстилающей поверхности, времени суток и местных условий. Над морем его содержание меньше (поглощается водой), над сушей больше, днем меньше, ночью больше (выделяется растениями).

Углекислый газ образуется в результате окисления органических соединений, гниения, горения и выбрасывается при извержении вулканов. Содержание углекислого газа в дневное время над океанами обычно не превышает 0,01—0,02%, в промышленных же центрах оно достигает 0,05%.

Озон образуется в результате диссоциации молекул кислорода на атомы и последующего соединения атомов с молекулами, в силу чего он не стоек. В нижних слоях озон образуется главным образом под воздействием грозовой деятельности, а также окисления некоторых органических веществ (морских водорослей, древесной смолы и др.). В результате этого его содержание здесь незначительно и подвержено большим колебаниям.

В верхних слоях атмосферы озон образуется в результате действия ультрафиолетовой радиации Солнца. Основное количество озона сосредоточено в слое 20—35 км от поверхности Земли, выше 55—60 км он не наблюдается. Если весь озон в вертикальном столбе атмосферы привести к температуре 0° и давлению 1000 мб, то толщина слоя окажется в пределах от 2 мм на экваторе до 4 мм в полярных областях.

Кроме широтной зависимости, количество озона изменяется в течение года (наибольшее количество его бывает весной, наименьшее — осенью) и зависит от свойств воздушной массы (в тропическом воздухе его меньше, в арктическом — больше).

Большой изменчивостью в атмосфере характеризуется содержание водяного пара, процентное содержание которого по объему изменяется от величин, близких к нулю, до 4%. В воздухе, содержащем водяной пар, несколько изменяется и процентное содержание основных газов. О характере этого изменения можно судить по данным табл. 62, составленной для некоторых средних условий.

Из таблицы видно, что с уменьшением содержания водяного пара увеличивается содержание кислорода и азота. Плотность водяного пара составляет 0,622 плотности сухого воздуха, поэтому с увеличением содержания водяного пара связано уменьшение плотности.

Кроме газов, в атмосфере имеются находящиеся во взвешенном состоянии твердые и жидкие частицы, размеры которых колеблются от 5 • 10^-8 до 5 • 10^-2 см.

Количество взвешенных частиц в атмосфере изменяется в очень широких пределах: от сотен на 1 см³ над океанами до десятков и сотен тысяч в промышленных центрах. Над океанами взвешенные частицы атмосферы представляют собой главным образом частицы морских солей и мелкие водяные брызги, которые поднимаются в воздух во время шторма.

Над материками это прежде всего пыль, поднимаемая ветром с поверхности Земли, и различного рода дымы. Кроме этого, в атмосфере имеется вулканическая пыль, а также капельки воды и кристаллики льда, образующиеся вследствие конденсации и сублимации водяных паров в атмосфере.

Содержание взвешенных частиц в атмосфере определяет ее прозрачность, а следовательно, сильно влияет на видимость. Значительно их влияние также и на тепловой режим атмосферы вследствие поглощения и рассеяния ею солнечной энергии.

Главное же значение этих примесей заключается в том, что частички, обладающие свойством гигроскопичности, являются зародышами образования водяных капель и ледяных кристалликов (ядра конденсации и сублимации) и, таким образом, обусловливают образование облаков и осадков. Интересно отметить, что количество ядер, конденсации над океанами в десятки и сотни раз меньше, чем над материками.

Происхождение земной атмосферы связано с образованием нашей планеты. Однако известно, что по вопросу образования Земли имеется несколько гипотез. В настоящее время наиболее распространенной гипотезой является следующая. Наша планета, как и другие планеты солнечной системы, образовалась в результате сгущения протопланетарного пылевого облака.

В составе этого облака находилось много веществ с большой радиоактивностью. В результате сгущения такой космической пыли планета разогревалась, вследствие чего происходило выплавление более легких материалов, которые поднимались вверх. Этот процесс сопровождался газообразованием, которое и положило начало возникновению земной атмосферы. В составе этих газов атмосферы содержался большой процент углекислого газа. С появлением растительности атмосфера стала обедняться углекислым газом и обогащаться кислородом.

В преобразовании состава газов атмосферы большую роль играли фотохимические процессы, т. е. химические превращения веществ под воздействием солнечных лучей.